某心墙堆石坝廊道裂缝成因及处理措施研究_张颖.pdf

2023 年第 3 期2023 Number 3水电与新能源HYDOPOWE AND NEW ENEGY第 37 卷Vol37DOI:10 13622/j cnki cn42 1800/tv 1671 3354 2023 03 008收稿日期:2022 04 15作者简介:张颖，女，工程师，主要从事水利工程的设计工作。某心墙堆石坝廊道裂缝成因及处理措施研究张颖，罗金山，唐大华(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙410014)摘要:基于某沥青混凝土心墙堆石坝灌浆廊道裂缝，经对廊道有限元应力计算满足承载力要求，基础无不均匀沉降，分析裂缝产生原因主要是由内外温差、水化热、收缩引起。参考类似工程处理措施，采取了适合于本廊道裂缝的化学灌浆处理，随着大坝填筑至坝顶再未发现明显的新增裂缝。压水试验表明灌浆处理效果较好，廊道结构安全满足要求。关键词:廊道裂缝;温度应力;水灰比;收缩;化学灌浆中图分类号:TV641 4+1文献标志码:A文章编号:1671 3354(2023)03 0032 04Analysis and Treatment of Galley Cracks in a Core-wall ockfill DamZHANG Ying，LUO Jinshan，TANG Dahua(Powerchina Zhongnan Engineering Corporation，Changsha 410014，China)Abstract:In an asphalt concrete core-wall rockfill dam，cracks are found in the grouting gallery Finite element stressanalysis of the galley shows that the bearing capacity of the dam meets the requirement and the foundation is of no une-ven settlement Further analysis shows that the cracks are mainly caused by the concrete shrinkage due to internal andexternal temperature difference and hydration heat With reference to the treatment of similar projects，chemical groutingsuitable for the treatment of galley cracks is adopted After the treatment，no obvious new cracks are found in the follow-ing construction of the dam Water pressure test results show that the grouting treatment effect is satisfactory and the gal-ley structure safety meets the requirementKey words:gallery crack;temperature stress;water-cement ratio;contraction;chemical grouting混凝土裂缝是工程建设中较为普遍的问题，裂缝的出现不但影响建筑物外观及结构的整体性，随着裂缝的发展还会导致钢筋锈蚀，使结构的承载力、抗渗能力及耐久性降低。根据不同裂缝的性质提出相应修补措施是裂缝处理的难点，所以在处理前需对裂缝进行合理分类，选择有效的裂缝修复方案。为此，不少设计人员针对混凝土裂缝形成的原因及处理措施等方面开展了大量的研究，唐玉书等1 针对珠窝大坝廊道内及溢流坝面产生的裂缝问题，采用嵌缝和嵌缝与灌浆相结合两种方法，对大坝裂缝进行了处理;朱耀台等2 对混凝土裂缝产生的原因进行了详细划分，提出了收缩裂缝、温度裂缝、沉陷裂缝及施工裂缝等，并提出了常用的裂缝修补方法;鞠丽艳3 分别就不同种类的裂缝提出了混凝土置换法、表面封闭、化学灌浆封堵法及电化学法等修补措施;郭三钢等4 针对大坝灌浆廊道裂缝情况，采取了聚氨酯材料、水泥材料、环氧树酯材料相结合的灌浆处理方法，对墙体中的各类裂缝进行了有效的封堵和防渗处理。各项研究均提出了混凝土裂缝产生的原因及相应处理措施，其中化学灌浆的方法对一般混凝土裂缝的处理效果较好，不影响后续工程运行安全。本文依托于实际工程，从应力计算复核、基础地质条件及廊道施工情况等不同角度分析了廊道产生裂缝的原因，在前人研究成果的基础上对不同裂缝情况进行分类，提出了适合本工程的裂缝化学灌浆处理措施，达到了预期的裂缝处理效果，为后续类似工程提供了参考。1工程概况某水库是 1 座满足工业园区供水、农业灌溉及农23张颖，等:某心墙堆石坝廊道裂缝成因及处理措施研究2023 年 3 月村人畜饮水等综合利用的中型水利工程。沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高为 62 7 m，沥青混凝土心墙基座内设有灌浆廊道，灌浆廊道净空 3 0 m 3 5 m。大坝廊道浇筑完成后在巡查过程中发现灌浆廊道内发育较多裂缝，大部分为横向或接近横向裂缝，其中包括 2 处伸缩缝，部分裂缝有渗水，混凝土表面可见析白、钙化现象。2坝基廊道裂缝位置及统计经统计，廊道内部侧墙及顶拱有不同发育程度裂缝共 53 处，其中右岸廊道裂缝共 23 处，河床段廊道裂缝共 24 处，左岸廊道裂缝共 6 处，左岸廊道裂缝较少且无渗水，廊道底板未发现裂缝。在发现的 53 处裂缝中，19 处裂缝可见湿印，渗水裂缝 4 处，结构缝渗水 2处，其中裂缝长度范围为 0 6 4 5 m，裂缝表观缝宽范围为 0 2 0 6 mm，裂缝主要以环向为主。3裂缝成因分析31坝基廊道结构有限元计算分析计 算采用AutoBank7 7程序，对坝体进行有限元应力应变分析。坝体(堆石料、过渡料、防渗心墙)应力应变分析采用邓肯 张的 E B 模型，混凝土基座、大坝基岩采用线弹性模型5。计算模型取顺水流向为 X 轴正向，竖直向上为 Y轴正向。坝横 0+155 000 断面有限元计算模型见图 1，模型中计算单元数 3 472 个，节点数3 467。根据坝体的施工顺序，模拟体施工过程及水库蓄水过程，坝体分 9 级模拟施工加载，蓄水分 5 级模拟加载6。计算结果汇总见表 1。图 1坝横 0+155000 断面有限元计算模型表 1灌浆廊道典型断面顺河向钢筋配置计算成果汇总断面工况位置Act/A/%h1/h/%T/NAs/mm2钢筋配置最大裂缝宽度/mm坝横0+155 00正常蓄水位廊道顶部9 9534 96724 1002 4145 根 250 15设计洪水位廊道顶部11 8532 83602 4002 0085 根 250 18校核洪水位廊道顶部9 0635 90783 9002 1775 根 250 19竣工期构造配筋根据 AutoBank7 7 程序计算得到的坝体应力计算结果，结合类似已建工程廊道配筋结果，施工图中受力钢筋选用的 25 200 的钢筋，在荷载效应标准组合作用下的最大裂缝宽度为 0 19 mm，计算得到的在荷载效应标准组合作用下的最大裂缝宽度均满足规范要求7，不会影响结构安全。32工程基础地质条件分析在大坝廊道混凝土浇筑前对其基础进行了地基评价，取样三组弱风化页岩块做抗压强度试验，单轴抗压强度标准值为 17 5 21 1 MPa，页岩属较软岩类，保守取折减系数 1/10，岩基承载力为 1 75 2 11 MPa，满足设计 1 60 MPa 要求。依据本场地已做的 3 个钻孔岩体声波测井数据，岩体纵波波速值为 1 630 3 260 m/s，岩块纵波波速值为 2 028 3 775 m/s，计算页岩岩体完整系数为 0 65 0 77，属较完整 完整岩体8。综上所述，廊道基础满足设计及规范要求，满足承载力及完整性要求，地基没有不均匀沉降，基础稳定。33廊道施工原因分析根据廊道混凝土施工过程进行分析，产生裂缝的原因有以下几方面。1)表面温差收缩裂缝。大体积混凝土在施工过程中若气温变幅较大，会造成混凝土内外温差过大，进而产生温度应力及变形，容易在混凝土表面产生裂缝9。经统计分析，裂缝产生较多的三段廊道混凝土浇筑温差在 4 12之间，尤其是坝横 0+068 95 坝横 0+082 95 段廊道浇筑时段内昼夜温差大。浇筑温度统计结果见表 2。33水 电 与 新 能 源2023 年第 3 期表 2浇筑时段及当天温度统计桩号廊道底板浇筑日期浇筑温度廊道侧墙及顶拱浇筑日期浇筑温度坝横 0+068 95 坝横 0+082 952019/8/1825 372019/9/10 第 1 仓22 292019/9/12 第 2 仓24 322019/9/15 第 3 仓17 23坝横 0+082 95 坝横 0+096 952019/9/2817 292019/10/13 第 1 仓18 232019/10/14 第 2 仓15 20坝横 0+096 95 坝横 0+114 452019/9/30 第 1 仓16 292019/10/10 第 1 仓17 212019/10/7 第 2 仓16 232019/10/11 第 2 仓15 202)水灰比较大。工程所用自拌混凝土的坍落度180 210 mm，水灰比 0 34，商品混凝土坍落度 180 210 mm，水灰比 0 49，商品混凝土的水灰比较大，在混凝土硬化过程中水分蒸发会导致混凝土干缩量加大，更易产生裂缝。其次廊道在混凝土浇筑过程中两侧岩壁有部分渗水，虽然采取了排水措施，但仍然有渗水流入混凝土中，一定程度上增大了水灰比，使得产生收缩裂缝的机会增加。3)水化反应收缩、塑性收缩裂缝。廊道浇筑过程中存在部分混凝土养护不及时的问题，部分廊道拆模时间稍早，影响了混凝土的抗裂能力，对混凝土强度的发展有一定影响，混凝土初凝前、初凝后可能存在塑性收缩及水泥水化反应收缩，并导致裂缝的产生。4廊道裂缝处理措施研究及处理成效41类似工程廊道裂缝调查分析调查类似工程混凝土裂缝情况及处理措施，发现狮子坪水电站、下坂地水利枢纽工程、沙沱水电站及观音岩水电站等工程的廊道在施工或运行过程中，出现了不同程度裂缝情况，后续均采用了化学灌浆等处理措施进行裂缝封闭，处理效果较好，未影响后续运行安全10 13。42混凝土廊道裂缝处理4 2 1裂缝分类及处理方法对于宽度 0 3 mm 的裂缝，若缝面有明显渗水，采用凿槽、嵌缝、埋管注浆先处理，再封闭;若缝面干燥，直接封闭处理;对于宽度 0 3 mm1 mm 的裂缝，缝面无明显渗水，采用表面打磨、清理、骑缝埋管注浆处理;缝面有明显渗水，采用凿槽、嵌缝、埋管注浆先处理，再封闭。4 2 2表面封闭处理方案清理基面，将裂缝两侧 10 cm 混凝土表面用打磨机刷毛，在裂缝两侧各 10 cm 涂刷环氧砂浆做表面封闭处理，待环氧砂浆固化 7 d 后，进行检查。4 2 3化学灌浆处理方案本工程选用改性环氧树脂作为裂缝化学灌浆材料14 15，主要施工步骤为:1)将混凝土表面杂物清理干净，用高压水或风将缝面清理干净。2)裂缝骑缝布孔，局部地方增加斜孔进行灌注，孔径为 25 mm，骑缝孔孔深为 5 15 cm，骑缝孔孔距为 25 40 cm。3)以裂缝为中线，每边打磨 10 cm，凿“V”型槽，槽深 3 0 5 0 cm，槽宽 3 0 4 0 cm。4)在钻孔及裂缝表面封堵后，进行洗孔、洗缝，嵌缝先用水泥速凝材料进行封闭，再用环氧砂浆嵌填密实，缝面涂刮环氧胶泥进行封闭。5)注浆管采用塑料贴嘴与 6 mmPU 透明塑料管连接使用。6)灌浆遵循由“深到浅、由窄缝到宽缝，从一侧到另一侧”的原则，对一个孔进行灌浆时，其余孔口全部敞开，待相邻孔有回浆时封闭该灌浆孔并进行关联灌注，灌浆压力为 0 3 0 6 MPa。灌浆时打开所有灌浆嘴，当进浆速度小于 5 mL/min 时，稳压 5 min 后结束灌浆。7)待浆液固化后(一般为 24 h)凿除注浆管，采用环氧砂浆封堵，并对埋管进行拆除清理，在沿缝两边10 cm 范围内涂刷环氧砂浆封闭。8)质量检查。灌浆结束 7 d 后以 0 7 MPa 压力进行压水试验，压水试验到基本不进水且不渗漏时，即认为合格。43张颖，等:某心墙堆石坝廊道裂缝成因及处理措施研究2023 年 3 月4 2 4混凝土伸缩缝处理缝外侧距伸缩缝 80 cm 钻孔灌注高渗透改性环氧树脂灌浆材料，并控制其灌浆压力。缝内侧渗水的先采用弹性灌浆材料灌浆止水，再凿除伸缩缝内充填物，凿除宽度 3 cm，凿除深度 40cm 左右，缝内嵌填高弹性环氧砂浆，表面涂刷 3 mm 厚抗冲耐磨型涂料。4 2 5灌浆廊道表观处理对于灌浆廊道表面出现的局部蜂窝麻面、错台等，用打磨工具或者喷砂设备清除表层浮浆，用快干水泥砂浆或无溶剂的环氧砂浆抹面，厚度 2 cm。43处理成效廊道裂缝处理完成后，项目监理选取了全孔的3%作为检查孔，对其进行压水试验检测。试验结果显示，裂缝周围检查孔的透水率均小于 1Lu，与混凝土透水率基本符合。随着大坝填筑至坝顶，未发现明显的新增裂缝且原有裂缝处理效果较好，未对廊道结构安全产生影响。5结语在分析某心墙堆石坝灌浆廊道裂缝产生原因的基础上，结合类似工程经验对裂缝进行了化学灌浆处理，得到了较好的成效。主要结论有:1)根据有限元应力计算及地基评价结果可知，廊道基础满足设计及规范要求，满足承载力及完整性要求，地基没有不均匀沉降;2)目前廊道内裂缝主要是由内外温差、水化热、收缩引起的;3)结合类似工程廊道裂缝处理调查分析，经本文提出的灌浆方案处理后保证了工程安全运行;4)在后续混凝土结构施工过程中，需进一步加强混凝土浇筑温度控制，同时加强拆模、养护及管理工作。参考文献:1 唐玉书，张良秀 下马岭水电站珠窝大坝裂缝处理 J 长江科学院院报，2000，17(6):67 69 2 鞠丽艳 混凝土裂缝抑制措施的研究进展J 混凝土，2002(5):11 14 3 朱耀台，詹树林 混凝土裂缝成因与防治措施研究 J 材料科学与工程学报，2003，21(5):727 730 4 郭三钢 裂缝修补技术在某水库大坝灌浆廊道渗漏处理中的应用 J 科技风，2009(22):241 241 5 姜亭亭，高志军，王运霞 邓肯张模型研究现状和在工程中的应用讨论 J 西部探矿工程，2009(6):9 11 6 杨星晨，詹志兵，吴鲜艳 石庙子水库沥青混凝土心墙石渣坝有限元应力应变分析 J 甘肃水利水电技术，2016，52(11):21 25 7 SL 191 2008，水工混凝土结构设计规范 S 8 GB 50487 2008，水利水电工程地质勘察规范 S 9 宁晓立 某引水工程末端水池裂缝分析及处理措施J 山西水利科技，2014(4):36 37 10 高忠林，张刷来 化学灌浆在坝基灌浆廊道裂缝处理中的应用 J 四川水力发电，2010，29(4):62 63 11 苏来曼司衣提 浅谈下坂地坝基廊道沉降变形及渗水处理 J 水利建设与管理，2018，38(9):65 70 12 郝建强，田战锋 沙沱水电站右岸大坝基础廊道裂缝处理措施 J 水利水电技术，2014，45(5):17 19 13 徐海峰 金沙江观音岩水电站 30 号坝段裂缝原因分析及处理措施 J 水利水电快报，2021，42(z1):78 80 14 陆佳荣，王勇 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